CN117780566A - 载荷加载装置和用于风力发电机的载荷加载试验台 - Google Patents

Abstract

本公开提供一种载荷加载装置和用于风力发电机的载荷加载试验台。所述载荷加载装置包括：基座；固定框架，固定设置在所述基座上；摆动框架，包括轴安装部，所述轴安装部设置有轴孔并适于将传动轴可旋转地安装在所述轴孔中；多个载荷加载单元，铰接在所述固定框架和所述摆动框架之间，用于通过所述摆动框架对设置在所述轴孔中的传动轴施加载荷。

Description

载荷加载装置和用于风力发电机的载荷加载试验台

技术领域

本公开涉及载荷加载测试领域，具体地说，涉及一种载荷加载装置和用于风力发电机的载荷加载试验台。

背景技术

随着风力发电技术的发展，风电机组的尺寸和功率等级不断增长，对于载荷加载实验的要求也不断提高。为了解决风电机组整机能量传递系统的效率和可靠性的设计评估和测试诊断，开展大型风力发电机组机电传动系统的测试研究、可靠性评估和故障模拟诊断，建立风电机组机电传动实验规范和评估标准，需要一种针对大型风电机组(例如兆瓦级风电机组)的零部件载荷加载实验的测试设备。

发明内容

本公开意在解决风力发电机组的基于模型开发的验证和优化的难点。具体地，解决直驱、中速和双馈等主力风电机型及未来研制的大兆瓦机组的零部件(例如主轴)的载荷加载实验缺乏平台支撑的问题。通过5自由度加载模拟运行环境(包括正常运行条件和极端运行条件等)，模拟风电机组叶轮系统施加在传动系统上的静态载荷和动态载荷，测试机组在各种载荷下的可靠性和耐久性等性能指标。

本公开的一方面提供一种载荷加载装置，所述载荷加载装置包括：基座；固定框架，固定设置在所述基座上；摆动框架，包括轴安装部，所述轴安装部设置有轴孔并适于将传动轴可旋转地安装在所述轴孔中；多个载荷加载单元，铰接在所述固定框架和所述摆动框架之间，用于通过所述摆动框架对设置在所述轴孔中的传动轴施加载荷。

可选地，所述摆动框架还包括多个第一连接部，所述多个第一连接部固定设置在所述轴安装部的外周表面上，沿所述轴安装部的径向向外延伸且在所述轴安装部的周向上对称分布，所述多个载荷加载单元包括多个第一载荷加载单元，分别安装在每个第一连接部的远端，用于向传动轴施加轴向力和弯矩中的至少一种。

可选地，所述多个载荷加载单元还包括多个第二载荷加载单元，在所述轴安装部的周向上对称分布，用于向传动轴施加径向力。

可选地，所述多个第一载荷加载单元与所述多个第二载荷加载单元在所述轴安装部的周向上交替设置。

可选地，所述第二载荷加载单元包括第一径向载荷加载单元和第二径向载荷加载单元，所述第一径向载荷加载单元的载荷加载方向和所述第二径向载荷加载单元的载荷加载方向相互垂直。

可选地，每个所述第一载荷加载单元包括一对第一伸缩缸，所述一对第一伸缩缸分别连接在所述第一连接部的远端的轴向两侧，沿着所述轴孔的轴向延伸，并且所述第一伸缩缸的两端分别与所述第一连接部的远端和所述固定框架铰接。

可选地，第二载荷加载单元包括一对第二伸缩缸，所述一对第二伸缩缸对称设置在所述轴安装部的周向上，沿着所述轴孔的径向方向延伸，并且所述一对第二伸缩缸中的每个的两端沿着所述轴孔的径向方向分别与所述轴安装部和所述固定框架铰接。

可选地，第二载荷加载单元还包括一对第三伸缩缸，所述一对第三伸缩缸对称设置在所述轴安装部的周向上，沿着所述轴孔的径向方向延伸，并且所述一对第三伸缩缸的两端沿着所述轴孔的径向方向分别与所述轴安装部和所述固定框架铰接，所述一对第三伸缩缸之间的延伸方向与所述一对第二伸缩缸的延伸方向垂直。

可选地，所述摆动框架还包括多个第二连接部，所述多个第二连接部在所述轴安装部的外周表面上交替设置在所述多个第一连接部之间，所述多个第二载荷加载单元分别铰接在所述多个第二连接部上，所述多个第一连接部相对于所述轴安装部的径向向外延伸的长度大于所述多个第二连接部的延伸长度，所述多个第一连接部形成为悬臂梁。

可选地，所述载荷加载装置还包括所述传动轴，所述传动轴的一端设置有连接法兰，用于与待测试的转动轴固定连接，所述载荷加载装置还包括位于所述传动轴两端的轴承，所述传动轴的两端通过所述轴承可旋转地支撑在所述摆动框架上。

可选地，所述轴承包括径向瓦、径向瓦支撑体和轴承支架，所述径向瓦支撑体具有球形表面，并通过所述球形表面与轴承支架形成球铰，所述轴承支架连接到所述轴安装部并且具有与所述球形表面间隙配合的表面。

可选地，所述轴孔的轴线相对于水平方向倾斜设置，所述载荷加载单元包括液压缸。

可选地，并且所述多个第一连接部中的位于下侧的第一连接部的远端还通过支撑单元连接到所述基座，所述支撑单元包括减震器，所述载荷加载装置还包括用于向减震器提供流体压力的蓄能器。

可选地，所述支撑单元还包括支撑所述摆动框架重量的支撑装置，并且所述固定框架还具有限制所述摆动框架的轴向位移的锁紧装置。

可选地，所述载荷加载装置还包括控制器，所述控制器被配置为执行以下项中的至少一个：控制在所述轴孔的周向上对称设置的一对第一载荷加载单元施加的载荷方向相反，以对所述传动轴施加弯矩；控制在所述轴安装部的周向上对称设置的一对第一载荷加载单元施加的载荷方向相同，以对所述传动轴施加轴向力；以及控制在所述轴安装部的周向上对称设置的一对第二载荷加载单元施加的载荷方向相同，以对所述传动轴施加径向力。

本公开的一方面提供一种用于风力发电机组的载荷加载试验台，所述用于风力发电机组的载荷加载试验台包括如上所述的载荷加载装置。

所述载荷加载试验台还包括向所述传动轴施加扭矩的拖动电机。

本公开的实施例可模拟风机运行环境下叶轮施加在传动系统上的静态载荷和动态载荷，实现传动系统的性能测试，有助于改善可靠性和耐久性，从而实现基于模型开发的验证和优化。

附图说明

图1是根据本公开实施例的用于风力发电机组的载荷加载试验台的示意图；

图2是根据本公开实施例的载荷加载装置中的基座和固定框架的示意图；

图3是根据本公开实施例的载荷加载装置中的摆动框架的示意图；

图4是根据本公开实施例的载荷加载装置中的支撑单元的示意图；

图5是根据本公开实施例的用于风力发电机的载荷加载实验台的框图；以及

图6是根据本公开实施例的轴承的示意图。

具体实施方式

提供以下具体实施方式以帮助读者获得对在此描述的方法、设备和/或系统的全面理解。然而，在理解本申请的公开内容之后，在此所描述的方法、设备和/或系统的各种改变、修改和等同方案将是易于理解的。例如，在此描述的操作的顺序仅仅是示例，并且不限于在此阐述的顺序，而是除了必须按照特定顺序发生的操作之外，可做出在理解本申请的公开内容之后将是易于理解的改变。此外，为了提高清楚性和简洁性，可省略在理解本申请的公开内容之后已知的特征的描述。

为了使本领域技术人员能够更好的理解本发明，下面结合附图对本发明的具体实施例进行详细描述。

在兆瓦级风力发电机组的设计和验证过程中，针对风力发电机的载荷加载实验台的载荷加载装置的载荷自由度可包括轴向(x方向)力载荷、轴向(x方向)扭矩载荷、径向(y方向和z方向)力载荷以及径向(y方向和z方向)弯矩载荷。可通过载荷加载装置来实现对于风力发电机的稳态载荷(稳态发电运行)和动态载荷(在稳态载荷基础上叠加的动态变化)的测试。

根据本公开实施例的用于风力发电机组的载荷加载试验台可包括向传动轴施加扭矩的拖动电机和向传动轴施加其他载荷的载荷加载装置。载荷加载装置用于提供3个自由度的力载荷和2个自由度的弯矩载荷(1个轴向力、2个径向力以及2个径向弯矩，共5个自由度)，拖动电机用于提供1个自由度的扭矩载荷(轴向扭矩)，从而总体上可实现6个自由度载荷的载荷加载试验台。

图1是根据本公开实施例的用于风力发电机组的载荷加载试验台的示意图。

参照图1，根据实施例的用于风力发电机组的载荷加载试验台可包括与待测试的风力发电机20同轴布置的载荷加载装置10和拖动装置30，根据需要，不同类型的联轴器可介于其间(例如，风力发电机20的主轴与载荷加载装置10的传动轴可通过联轴器彼此连接，拖动装置30的驱动轴与载荷加载装置10的传动轴可通过联轴器彼此连接)。拖动装置30可包括一个或更多个拖动电机。

载荷加载装置10可包括基座100、固定框架200和摆动框架300。

图2是根据本公开实施例的载荷加载装置中的基座和固定框架的示意图。

参照图2，基座100提供载荷加载装置10的支撑和定位，并且可具有位于上侧的安装面和用于定位载荷加载装置的参考基准。固定框架200安装在基座100上，承受载荷加载装置10施加在被试机组上的力和力矩。

图3是根据本公开实施例的载荷加载装置中的摆动框架的示意图。

参照图1至图3，根据本公开实施例的载荷加载装置可包括基座100、固定框架200和摆动框架300。固定框架200固定设置在基座100上。摆动框架300包括轴安装部320和多个载荷加载单元341和342。轴安装部320设置有轴孔并适于将传动轴可旋转地安装在轴孔中。多个载荷加载单元341和342铰接在固定框架200和摆动框架300之间，用于通过摆动框架300对设置在轴孔中的传动轴施加载荷。根据本公开实施例的载荷加载装置用于通过5自由度载荷模拟运行环境(包括正常运行条件和极端运行条件等)，模拟风电机组叶轮系统施加在传动系统上的静态载荷和动态载荷，测试风电机组在各种载荷下的可靠性和耐久性等性能指标。

此外，根据实施例的载荷加载装置10还可包括设置在摆动框架300的轴安装部320内部的传动轴，传动轴的一端可设置有连接法兰，用于与待测试的转动轴(例如风力发电机20的主轴)固定连接，载荷加载装置10还可包括位于传动轴两端的轴承310，传动轴的两端可通过轴承310可旋转地支撑在摆动框架300上。多个载荷加载单元341和342可作为执行机构控制摆动框架300的自由度，并经由轴承310和传动轴将执行机构产生的力和弯矩传递给被试机组。轴承310的数量不限于2个。

摆动框架300还包括多个第一连接部330，多个第一连接部330固定设置在轴安装部320的外周表面上，沿轴安装部320的径向向外延伸且在轴安装部320的周向上对称分布。例如，多个第一连接部330可关于轴安装部320中的传动轴的旋转轴线轴对称分布。多个载荷加载单元341和342包括多个第一载荷加载单元341。多个第一载荷加载单元341分别安装在每个第一连接部330的远端，用于向传动轴施加轴向力和弯矩中的至少一种。

此外，多个载荷加载单元341和342还可包括多个第二载荷加载单元342。多个第二载荷加载单元342在轴安装部320的周向上对称分布，用于向传动轴施加径向力。

例如，多个第一载荷加载单元341与多个第二载荷加载单元342可在轴安装部320的周向上交替设置。

第二载荷加载单元342可包括第一径向载荷加载单元和第二径向载荷加载单元。第一径向载荷加载单元的载荷加载方向和第二径向载荷加载单元的载荷加载方向可相互垂直。本公开的实施例不限于此，第一径向载荷加载单元的载荷加载方向和第二径向载荷加载单元的载荷加载方向可不相互垂直，例如，只要第一径向载荷加载单元的载荷加载方向和第二径向载荷加载单元的载荷加载方向不平行即可。

每个第一载荷加载单元341可包括一对第一伸缩缸，一对第一伸缩缸分别连接在第一连接部的远端的轴向两侧，沿着轴孔的轴向延伸，并且第一伸缩缸的两端分别与第一连接部330的远端和固定框架200铰接。

第二载荷加载单元342可包括一对第二伸缩缸342-1(例如图3中沿大致水平方向设置的一对第二伸缩缸)，一对第二伸缩缸对称设置在轴安装部320的周向上，沿着轴孔的径向方向延伸，并且一对第二伸缩缸中的每个的两端沿着轴孔的径向方向分别与轴安装部320和固定框架200铰接。

第二载荷加载单元342还可包括一对第三伸缩缸342-2(例如图3中沿大致竖直方向设置的一对第二伸缩缸)，一对第三伸缩缸对称设置在轴安装部320的周向上，沿着轴孔的径向方向延伸，并且一对第三伸缩缸的两端沿着轴孔的径向方向分别与轴安装部320和固定框架200铰接。一对第三伸缩缸之间的延伸方向可与一对第二伸缩缸之间的延伸方向垂直。例如，一对第三伸缩缸之间的延伸方向可以是竖直方向，一对第二伸缩缸的延伸方向可以是水平方向。

摆动框架还可包括多个第二连接部325，多个第二连接部325在轴安装部320的外周表面上交替设置在多个第一连接部330之间。多个第二载荷加载单元342分别铰接在多个第二连接部325上。多个第一连接部330相对于轴安装部320的径向向外延伸的长度可大于多个第二连接部325的延伸长度，多个第一连接部330可形成为悬臂梁。多个载荷加载单元341和342可包括液压缸，但不限于此。

例如，参照图3，多个第一连接部330可以是4个第一连接部，分别设置在轴安装部320的周向上的45°、135°、225°和315°方向的位置，其中，0°的参考方向为竖直向上的方向。然而，多个第一连接部330的数量不限于此，并且可根据轴向力或径向弯矩的设计值改变。

多个第二连接部325是4个第二连接部325，分别设置在轴安装部320的周向上的0°、90°、180°和270°方向的位置，其中，0°的参考方向为竖直向上的方向。例如，多个载荷加载单元341和342可包括设置在4个第一连接部上的8个第一载荷加载单元341和设置在4个第二连接部325上的4个第二载荷加载单元342。然而，多个第二连接部325的数量不限于此，并且可根据径向力的设计值改变。多个第一连接部330可与多个第二连接部325的数量相同，但也可不相同。

摆动框架300的多个第一连接部330也可以是3个第一连接部330，固定设置在轴安装部320的外周表面上沿轴安装部320的径向向外延伸且在轴安装部320的周向上均匀分布，以向传动轴提供轴向力载荷和径向弯矩载荷中的至少一种。摆动框架300的多个第二连接部325也可以是3个第二连接部325，固定设置在轴安装部320的外周表面上沿轴安装部320的径向设置且在轴安装部320的周向上均匀分布，以向传动轴提供径向力载荷。此外，第一连接部330和第二连接部325的数量还可以是5个或更多个。

基座100的安装面可具有与风力发电机的叶轮仰角匹配的倾角，使得轴孔的旋转轴线相对于水平方向倾斜设置，以便于模拟风力发电机的运行工况。

参照图3，多个第一连接部330中的位于下侧的第一连接部的远端还通过支撑单元390连接到基座，支撑单元390包括减震器，载荷加载装置10中还包括用于向减震器提供流体压力的蓄能器。支撑单元390还包括支撑摆动框架300的重量的支撑装置，并且固定框架200还可具有限制摆动框架300的轴向位移的锁紧装置。

图4是根据实施例的载荷加载装置中的支撑单元的示意图。

参照图4，多个第一连接部330中的位于下侧的(设置在轴安装部320的周向上的135°和315°方向位置)第一连接部的远端还连接到安装面上的支撑单元390，支撑单元包括减震器391和用于向减震器391提供流体压力的蓄能器392。支撑单元可以是气动装置，也可以是液压装置。减震器在试验台的运行期间抵消摆动框架300的重力并提供缓震。此外，支撑单元390还可包括支撑摆动框架300重量的支撑装置，支撑装置可包括起重装置393和用于向起重装置393提供流体压力的增压装置394，支撑装置可以是气动装置，也可以是液压装置。此外，固定框架200可包括锁紧装置(未示出)，锁紧装置限制摆动框架300的轴向位移。起重装置393和锁紧装置用于防止摆动框架300在停机或维护状态下由于存在倾角和自重等因素导致的位移。每个第一连接部的远端可设置两组支撑单元390，但支撑单元390的数量不限于此。

图5是根据本公开实施例的风力发电机的载荷加载实验台的框图。

根据本公开实施例的风力发电机的载荷加载实验台可包括冷却单元350、润滑单元360、动力单元370和如上的载荷加载装置10。冷却单元350用于向润滑单元360和动力单元370提供冷却剂。润滑单元360用于向载荷加载装置10中的轴承310提供润滑剂。动力单元370可用于向载荷加载装置10中的载荷加载单元提供压力(例如液体压力)。

此外，载荷加载实验台还可包括控制单元380(控制器)，控制单元380向润滑单元360、动力单元370和载荷加载装置10发送控制信号并接受反馈信号。

例如，控制单元380可被配置为执行以下项中的至少一个：控制在轴孔的周向上对称设置的一对第一载荷加载单元施加的载荷方向相反，以对传动轴施加弯矩；控制在轴安装部的周向上对称设置的一对第一载荷加载单元施加的载荷方向相同，以对传动轴施加轴向力；以及控制在轴安装部的周向上对称设置的一对第二载荷加载单元施加的载荷方向相同，以对传动轴施加径向力。但控制单元380的控制方式不限于此，例如，控制单元380还可被配置为：控制多个第一载荷加载单元341中的设置在轴向同一侧的第一载荷单元施加相同的力载荷，以向传动轴施加轴向力载荷；控制多个第一载荷单元341中的设置在轴向同一侧的第一载荷单元中的至少两个施加的力载荷不同，以向传动轴施加径向弯矩载荷；以及控制多个第二载荷单元342中的至少两个施加的力载荷不同，以向传动轴施加径向力载荷。

图6是根据本公开实施例的轴承的示意图。

参照图6，轴承310可包括径向瓦311、径向瓦支撑体312和轴承支架313。径向瓦支撑体312具有球形表面，并通过球形表面与轴承支架313形成球铰，轴承支架313连接到轴安装部320并且具有与球形表面间隙配合的表面。径向瓦支撑体312的球形表面可适应传动轴的摆动，从而避免径向瓦受力不均匀。

根据本公开实施例的风力发电机的载荷加载实验台可实现8MN的轴向力载荷、8MN的径向力载荷、70MNm的径向弯矩以及2Hz的动态载荷加载频率等各种工况，可用于1MW至16MW甚至更大兆瓦级的风力发电机组的传动实验。

本公开提出一种风力发电机的载荷加载装置和载荷加载实验台，可模拟风机运行环境下叶轮施加在传动系统上的静态载荷和动态载荷，实现传动系统的性能测试，有助于改善可靠性和耐久性，从而实现基于模型开发的验证和优化。

应该理解，尽管本公开描述了载荷加载装置可用于模拟风电机组的传动轴的载荷加载实验，但本公开不限于此，载荷加载装置也可用于需要进行传动轴载荷模拟测试的其它设备和情形。

以上对本发明的具体实施方式进行了详细描述，虽然已表示和描述了一些实施例，但本领域技术人员应该理解，在不脱离由权利要求及其等同物限定其范围的本发明的原理和精神的情况下，可对这些实施例进行修改和变型，这些修改和变型也应在本发明权利要求的保护范围内。

Claims (17)

1.一种载荷加载装置，其特征在于，所述载荷加载装置包括：

基座；

固定框架，固定设置在所述基座上；

摆动框架，包括轴安装部，所述轴安装部设置有轴孔并适于将传动轴可旋转地安装在所述轴孔中；

多个载荷加载单元，铰接在所述固定框架和所述摆动框架之间，用于通过所述摆动框架对设置在所述轴孔中的传动轴施加载荷。

2.如权利要求1所述的载荷加载装置，其特征在于，所述摆动框架还包括多个第一连接部，所述多个第一连接部固定设置在所述轴安装部的外周表面上，沿所述轴安装部的径向向外延伸且在所述轴安装部的周向上对称分布，

所述多个载荷加载单元包括多个第一载荷加载单元，分别安装在每个第一连接部的远端，用于向传动轴施加轴向力和弯矩中的至少一种。

3.如权利要求2所述的载荷加载装置，其特征在于，所述多个载荷加载单元还包括多个第二载荷加载单元，在所述轴安装部的周向上对称分布，用于向传动轴施加径向力。

4.如权利要求3所述的载荷加载装置，其特征在于，所述多个第一载荷加载单元与所述多个第二载荷加载单元在所述轴安装部的周向上交替设置。

5.如权利要求3所述的载荷加载装置，其特征在于，所述第二载荷加载单元包括第一径向载荷加载单元和第二径向载荷加载单元，所述第一径向载荷加载单元的载荷加载方向和所述第二径向载荷加载单元的载荷加载方向相互垂直。

6.如权利要求3所述的载荷加载装置，其特征在于，每个所述第一载荷加载单元包括一对第一伸缩缸，所述一对第一伸缩缸分别连接在所述第一连接部的远端的轴向两侧，沿着所述轴孔的轴向延伸，并且所述第一伸缩缸的两端分别与所述第一连接部的远端和所述固定框架铰接。

7.如权利要求6所述的载荷加载装置，其特征在于，第二载荷加载单元包括一对第二伸缩缸，所述一对第二伸缩缸对称设置在所述轴安装部的周向上，沿着所述轴孔的径向方向延伸，并且所述一对第二伸缩缸中的每个的两端沿着所述轴孔的径向方向分别与所述轴安装部和所述固定框架铰接。

8.如权利要求7所述的载荷加载装置，其特征在于，第二载荷加载单元还包括一对第三伸缩缸，所述一对第三伸缩缸对称设置在所述轴安装部的周向上，沿着所述轴孔的径向方向延伸，并且所述一对第三伸缩缸的两端沿着所述轴孔的径向方向分别与所述轴安装部和所述固定框架铰接，所述一对第三伸缩缸之间的延伸方向与所述一对第二伸缩缸的延伸方向垂直。

9.根据权利要求3所述的载荷加载装置，其特征在于，所述摆动框架还包括多个第二连接部，所述多个第二连接部在所述轴安装部的外周表面上交替设置在所述多个第一连接部之间，所述多个第二载荷加载单元分别铰接在所述多个第二连接部上，所述多个第一连接部相对于所述轴安装部的径向向外延伸的长度大于所述多个第二连接部的延伸长度，所述多个第一连接部形成为悬臂梁。

10.如权利要求1所述的载荷加载装置，其特征在于，所述载荷加载装置还包括所述传动轴，所述传动轴的一端设置有连接法兰，用于与待测试的转动轴固定连接，所述载荷加载装置还包括位于所述传动轴两端的轴承，所述传动轴的两端通过所述轴承可旋转地支撑在所述摆动框架上。

11.如权利要求10所述的载荷加载装置，其特征在于，所述轴承包括径向瓦、径向瓦支撑体和轴承支架，所述径向瓦支撑体具有球形表面，并通过所述球形表面与轴承支架形成球铰，所述轴承支架连接到所述轴安装部并且具有与所述球形表面间隙配合的表面。

12.如权利要求1所述的载荷加载装置，其特征在于，所述轴孔的轴线相对于水平方向倾斜设置，所述载荷加载单元包括液压缸。

13.如权利要求3所述的载荷加载装置，其特征在于，并且所述多个第一连接部中的位于下侧的第一连接部的远端还通过支撑单元连接到所述基座，所述支撑单元包括减震器，所述载荷加载装置还包括用于向减震器提供流体压力的蓄能器。

14.如权利要求13所述的载荷加载装置，其特征在于，所述支撑单元还包括支撑所述摆动框架重量的支撑装置，并且所述固定框架还具有限制所述摆动框架的轴向位移的锁紧装置。

15.如权利要求3所述的载荷加载装置，其特征在于，所述载荷加载装置还包括控制器，所述控制器被配置为执行以下项中的至少一个：

控制在所述轴孔的周向上对称设置的一对第一载荷加载单元施加的载荷方向相反，以对所述传动轴施加弯矩；

控制在所述轴安装部的周向上对称设置的一对第一载荷加载单元施加的载荷方向相同，以对所述传动轴施加轴向力；以及

控制在所述轴安装部的周向上对称设置的一对第二载荷加载单元施加的载荷方向相同，以对所述传动轴施加径向力。

16.一种用于风力发电机组的载荷加载试验台，其特征在于，所述载荷加载试验台包括如权利要求1-15中任一项所述的载荷加载装置。

17.如权利要求16所述的载荷加载试验台，其特征在于，所述载荷加载试验台还包括向所述传动轴施加扭矩的拖动电机。